計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲模型

數(shù)據(jù)存儲模型

當(dāng)今社會，計算機(jī)無處不在，我們知道在計算機(jī)CPU用來計算數(shù)據(jù)，內(nèi)存和Flash用來存儲數(shù)據(jù)。計算機(jī)中的數(shù)據(jù)是現(xiàn)實社會中的內(nèi)容在計算機(jī)中以另外一種方式來存儲。我們的圖片、文字、視頻等資料都可以保存到計算機(jī)中。那么計算機(jī)又是如何保存這些數(shù)據(jù)的呢？在計算機(jī)中的這些數(shù)據(jù)到底是以什么方式存在？本節(jié)課將會為大家解答這些疑問，讓大家從底層理解什么是計算機(jī)中的數(shù)據(jù)。

計算機(jī)電路模型

當(dāng)我們拆開計算機(jī)，可以看到里面是一塊電路板，上面有各種各位的元器件，有很多繞老繞去的線路，看起來很復(fù)雜。所有的計算都需要電源。我們可以抽象地理解為一個計算機(jī)就是一塊人類按照一定規(guī)則制造的板子，上面有各種各樣的元件，當(dāng)有電源進(jìn)入板子的時候，各種元件可以對電源進(jìn)行有規(guī)則的引導(dǎo)，使得板子的各個位置有不同的電壓和電流。

電壓就是數(shù)據(jù)

從上面說的計算機(jī)電路模型，我們可以知道計算機(jī)中的硬件是固定，里面可變的東西是電壓和電流。而計算機(jī)中的數(shù)據(jù)就是以電壓的方式來表示的。比如：1V電壓代表1，2V電壓代表2，3V電壓代表3。那么，結(jié)合之前講到的加法器，兩個輸入分別為1和2，輸出結(jié)果應(yīng)該是3。實際上，在計算機(jī)中是兩個輸入分別為1V和2V電壓，輸出一個3V的電壓。

二進(jìn)制數(shù)據(jù)

在計算機(jī)中所有的數(shù)據(jù)都是用電壓來表示的，不同的電壓可以表示不同的數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)可以由多個電壓組合來表示。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大的時候，用上面的電壓表示法，則電壓值的需要很細(xì)分為不同的數(shù)值，在電路中要穩(wěn)定的產(chǎn)生很多電壓是很難的。如果把電壓分為兩種

• 一種是高電平（高電壓），用1代表高電平
• 一種是低電平（低電壓），用0代表低電平

把所有的數(shù)據(jù)用0和1的組合來表示，比如數(shù)字0是 0000 0000，數(shù)字1是 0000 0001。一張圖片可能由幾百萬個0和1的組合來表示。所有的文字、圖片、音樂、視頻、文檔等數(shù)據(jù)都用0和1的組合來表示。在電路中，只有高電平和低電平的區(qū)分，比如把0V~1V表示低電平，3V~6V表示高電平，這樣就算電壓值有一定的波動，數(shù)據(jù)也不會丟失。這種0和1的組合，稱為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

我們生活中的算術(shù)運(yùn)算都是使用十進(jìn)制來計算的，也就是逢十進(jìn)一，比如：1 + 9 = 10。而二進(jìn)制的運(yùn)算則是逢二進(jìn)一，比如：1 + 1 = 10。各進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換可以查看[進(jìn)制轉(zhuǎn)換][1]，電腦上的計算器工具也可以幫我們進(jìn)行不同進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

為什么用二進(jìn)制

計算機(jī)內(nèi)部之所以采用二進(jìn)制，其主要原因是二進(jìn)制具有以下優(yōu)點(diǎn):

1. 技術(shù)上容易實現(xiàn)。用雙穩(wěn)態(tài)電路表示二進(jìn)制數(shù)字0和1是很容易的事情。
   計算機(jī)使用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，而不是我們熟悉的十進(jìn)制，最重要的原因是二進(jìn)制物理上更容易實現(xiàn)。因為電子器件大多具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。比如晶體管的導(dǎo)通和截止，電壓的高和低，磁性的有和無等。而找到一個具有十個穩(wěn)定狀態(tài)的電子器件是很困難的。使用二進(jìn)制還有運(yùn)算簡單的優(yōu)點(diǎn)。十進(jìn)制有55種求和與求積的運(yùn)算規(guī)則，二進(jìn)制僅有各有3種，這樣可以簡化運(yùn)算器等物理器件的設(shè)計。另外，計算機(jī)的部件狀態(tài)少，可以增強(qiáng)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，二進(jìn)制對于計算機(jī)來講，是自然而然的選擇。
2. 可靠性高。二進(jìn)制中只使用0和1兩個數(shù)字，傳輸和處理時不易出錯，因而可以保障計算機(jī)具有很高的可靠性。
3. 運(yùn)算規(guī)則簡單。與十進(jìn)制數(shù)相比，二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則要簡單得多，這不僅可以使運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)得到簡化，而且有利于提高運(yùn)算速度。
4. 與邏輯量相吻合。二進(jìn)制數(shù)0和1正好與邏輯量“真”和“假”相對應(yīng)，因此用二進(jìn)制數(shù)表示二值邏輯顯得十分自然。
5. 二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換相當(dāng)容易。人們使用計算機(jī)時可以仍然使用自己所習(xí)慣的十進(jìn)制數(shù)，而計算機(jī)將其自動轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)存儲和處理，輸出處理結(jié)果時又將二進(jìn)制數(shù)自動轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，這給工作帶來極大的方便。